[摘要]與傳統(tǒng)鈉硫電池(工作溫度300~350 °C)相比，室溫鈉硫電池具有能量密度高(1274 Wh kg-1)、安全性好等顯著優(yōu)勢。然而，當前室溫鈉硫電池仍面臨著諸多問題，如多硫化物穿梭效應(yīng)造成的自放電嚴重、循環(huán)壽命短，以及鈉金屬負極帶來的枝晶生長等。傳統(tǒng)上將硫與多孔碳材料復(fù)合的物理固硫方法并不能充分抑制穿梭效應(yīng)。因此，在硫碳復(fù)合材料中引入化學(xué)鍵增強固硫效果是發(fā)展高性能硫電極的合理思路。另一方面，雖然使用聚合物電解質(zhì)取代有機電解液可以顯著降低電池著火、漏液等安全隱患，然而目前聚合物電解質(zhì)普遍具有低電導(dǎo)率和高阻抗電極/電解質(zhì)界面的缺陷，限制了其在鈉硫電池中的應(yīng)用。
【引言】
鋰離子電池憑借穩(wěn)定的性能和成熟的工藝得到廣泛應(yīng)用;然而，鋰資源的匱乏促使人們繼續(xù)尋求新一代的能量儲存材料與技術(shù)，其中，鈉離子電池因鈉資源豐富、分布廣泛和成本低廉等特點，在國內(nèi)外備受關(guān)注，有望替代鋰離子電池成為智能電網(wǎng)等大規(guī)模儲能應(yīng)用的首選。與鋰離子電池相比，鈉離子電池的倍率性能和循環(huán)性能很不理想，其主要原因是鈉離子的離子半徑較大，導(dǎo)致緩慢的固態(tài)離子擴散和充放電過程中的體積膨脹。新結(jié)構(gòu)高性能電極材料之設(shè)計與可控合成是克服這一難題的有效途徑。
【成果簡介】
邱介山教授領(lǐng)導(dǎo)的遼寧省“能源材料化工”創(chuàng)新團隊與加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授合作，在前期研究工作的基礎(chǔ)上(超細MoO2納米顆粒鑲嵌核殼納米棒的新結(jié)構(gòu)，Adv Energy Mater 2017, 7,1602880;超大層間距(1.34 nm)MoS2與碳纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)新材料，Nano Energy 2017, 41, 66-74)，提出了一個全新的技術(shù)策略。基于原位化學(xué)作用，利用活性物質(zhì)精細調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑具有分級結(jié)構(gòu)的碳基納米復(fù)合材料;通過調(diào)控電極材料的本征結(jié)構(gòu)，增加了電極材料的表面/近表面反應(yīng)的貢獻比例，顯著提高了鈉離子電池的倍率性能。該研究成果發(fā)表在Adv. Mater.上(2018,30, 1702486)。這一工作為拓展高倍率鈉離子電池電極材料的設(shè)計與構(gòu)筑方法，開辟了新的技術(shù)途經(jīng)。
【圖文解析】
圖1. G@MoS2-C納米片a)制備示意圖, b)SEM圖,c)TEM圖, d)HRTEM圖; e,f) Na原子在MoS2不同層間距之間的擴散過程示意圖; g)不同過渡狀態(tài)下擴散能量屏障曲線。
圖2. a)G@MoS2-C納米片在電流密度為3A/g時長期循環(huán)性能，MoS2-C納米球和G@ oS2-C納米片b)0.1-50A/g不同電流密度下的倍率性能，c)不同倍率下電化學(xué)反應(yīng)示意圖。
【小結(jié)】
本文研究人員以氧化石墨烯為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，利用多巴胺與鉬酸銨的絡(luò)合作用以及多巴胺的原位聚合反應(yīng)，輔以高溫硫蒸氣硫化處理，合成出層間距更大的少層MoS2與石墨烯有機耦合的復(fù)合納米片材料(G@MoS2-C)：
G@MoS2-C的獨特二維片型結(jié)構(gòu)，有利于縮短鈉離子的擴散距離;具有擴大層間距的少層MoS2，則有利于提高活性物質(zhì)的利用率;三明治層間的石墨烯，有利于提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
密度泛函理論研究證明，隨MoS2層間距的增加，鈉離子在其層間的擴散能壘逐步減小，鈉離子的擴散阻力降低。
該材料作為鈉離子電池的負極材料，在3A/g的電流密度下，循環(huán)4500圈后，G@MoS2-C的比容量仍高達253mAh/g;在50 A/g的超高電流密度下，表面/近表面反應(yīng)的貢獻比例增加，其比容量可達93mAh/g。
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